FUERZAS DE VAN DER WAALS
Atracción Dipolo Dipolo
Se presenta entre dos moléculas
polares iguales o diferentes. Los dipolos
existentes interaccionan entre si orientándose de tal manera que
producen débiles uniones entre ellos. Los puntos de fusión y ebullición de las
sustancias participantes de la unión, pueden verse modificados ligeramente.
Atracción dipolo-dipolo inducido
Ocurre cuando una molécula polar
al acercarse a una molécula no polar induce en ella un dipolo instantáneo. Un
ejemplo es la disolución del yodo (I2) en agua. La molécula de yodo
es no polar y la del agua es muy polar.
Fuerzas de dispersión
Conocidas también como fuerzas de
London, se presentan cuando moléculas no polares sometidas a un factor externo
como la disminución de la temperatura, se aproximan entre si lo que origina u
movimiento desordenado o disperso de los electrones en los átomos de estas
moléculas. Así se crean dipolos instantáneos que permite a las moléculas
experimentar fuerzas de atracción débiles. Por este proceso de se explica la
condensación del hidrógeno (H2) y del nitrógeno (N2) a su
estado líquido, que de otra manera sería posible.
Puente de Hidrógeno
El enlace de hidrógeno
Es tipo especial de atracción
dipolo-dipolo y quizás una de las más importantes. Se produce cuando esta
enlazado a un átomo muy electronegativo
y de pequeño volumen como el oxígeno, el flour o el nitrógeno. En estos casos
se forman moléculas polares atraídas entre sí por intensas interacciones bipolares. Los compuestos que
experimentan este tipo de fuerza presentan visible cambio en sus puntos de
fusión y ebullición que se refleja en su estado de agregación a temperatura
ambiente. Por ejemplo, los enlaces de hidrógeno son los responsables del agua
líquida y de la estructura cristalina del hielo y de que este sea menos denso
que la misma agua líquida.
LOS PUENTES DE HIDROGENO
El puente de hidrógeno es un enlace que se
establece entre moléculas capaces de generar cargas parciales. El agua, es la
sustancia en donde los puentes de hidrógeno son más efectivos, en su molécula,
los electrones que intervienen en sus enlaces, están más cerca del oxígeno que
de los hidrógenos y por esto se generan dos cargas parciales negativas en el
extremo donde está el oxígeno y dos cargas parciales positivas en el
extremo donde se encuentran los hidrógenos. La presencia de cargas parciales
positivas y negativas hace que las moléculas de agua se comporten como imanes
en los que las partes con carga parcial positiva atraen a las partes con cargas
parciales negativas. De tal suerte que una sola molécula de agua puede unirse a
otras 4 moléculas de agua a través de 4 puentes de hidrógeno. Esta
característica es la que hace al agua un líquido muy especial.
PUENTES DE HIDRÓGENO EN EL AGUA
Los puentes de Hidrógeno, se forman por átomos de
Hidrógeno localizados entre átomos electronegativos. Cuando un átomo de
Hidrógeno está unido covalentemente, a una átomo electronegativo, ej. Oxígeno
o Nitrógeno, asume una densidad (d) de carga positiva, debido a la elevada
electronegatividad del átomo vecino. Esta deficiencia parcial en electrones,
hace a los átomos de Hidrógeno susceptibles de atracción por los electrones no
compartidos en los átomos de Oxígeno o Nitrógeno
Obsérvese la configuración electrónica del Oxígeno:
8O 1s2 2s2 2pxêé pyé pzé
La estructura del agua favorece las interacciones
para formar puentes de Hidrógeno, el arreglo siempre es perpendicular entre las
moléculas participantes, además, es favorecido por que cada protón unido a un
Oxígeno muy electronegativo encuentra un electrón no compartido con el que
interactúa uno a uno. De lo anterior se concluye que cada átomo d
Oxígeno en el agua interacciona con 4 protones, dos de ellos
unidos covalentemente y dos a través de puentes de Hidrógeno.
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Figura: Información
sobre los puentes de Hidrógeno
Estudios
de difracción de rayos X indican que la distancia entre los átomos de Oxígeno
que intervienen en el puente de Hidrógeno, están separados por
0.28 nm lo que indica un arreglo tetraédrico de las moléculas de
agua, además los puentes de Hidrógeno:
LOS
PUENTES DE HIDROGENO CONFIEREN AL AGUA SUS PROPIEDADES EXTRAORDINARIAS
El agua tiene un punto de fusión, un punto de ebullición, y un calor de
vaporización mas elevada que los líquidos comunes
Estas propiedades extraordinarias de los líquidos
son consecuencia de las fuertes interacciones entre moléculas de agua
adyacentes lo que confiere al agua líquida una gran cohesión interna.
Su causa de estos atracciones intermoleculares se
debe a que los átomos de hidrogeno de
una molécula de agua comparte un par electrónico con el átomo de oxigeno. Le
geometría de las moléculas de agua esta dictada por la forma de los orbitales
electrónicos externos del átomo de oxigeno que son similares a los orbitales
del enlace del carbono. Estos orbitales
describen aproximadamente un tetraedro con un átomo de hidrogeno en sus dos
vértices y electrones sin compartir en los otros dos. El Angulo de enlace
H-O-H es de 104.5´ ligeramente
menor a los 109.5de un tetraedro perfecto: los orbítales no enlazan Tes. del
átomo de oxigeno comprime ligeramente los orbítales compartidos por el
hidrogeno.
El núcleo del oxigeno atrae electrones con más
fuerza que el núcleo del hidrogeno (es decir el protón) _: el electrón es más
electronegativo. Por tanto el h y el o
comparten los electrones de forma
desigual: los electrones suelen estar mas
cerca del átomo de oxigeno que del hidrogeno. El resultado de esta forma
desigual de compartir los electrones es la forma de dos dipolos eléctricos en
al molécula de agua, uno alo largo de cada enlace h-o el oxigeno es portador de
una carga negativa parcial ( ) y cada hidrogeno de una carga positiva
parcial ( ) la atracción electrostática
resultante entre el átomo de oxigeno de una molécula de agua y el hidrogeno del
otro constituye un puente de hidrogeno
Los puentes de hidrogeno son más débiles que los
enlaces covalentes
Los puentes de hidrogeno en agua líquida tienen una
energía de enlace (la energía requerida para romper un enlace) de solo unos 20
kj/ mol en comparación con los 460 kj/mol del enlace covalente a temperatura ambiente la energía térmica de una solución
acuosa (la energía cinética que proviene del movimiento de los átomos y
moléculas individuales) es del mismo orden que la necesaria para romper los
enlaces de hidrogeno. Cuando se calienta el agua el incremento de su temperatura es el reflejo del movimiento
más rápido de las moléculas individuales
del agua. Aunque en cualquier momento dado la mayoría de las moléculas en el
agua líquida están unidas por puentes de hidrogeno el tiempo de vida de cada
puente de hidrogeno es inferior a 1x 10
-9 s. se a aplicado el termino adecuado de agrupamiento pasajero (flickrig
clurster) a los grupos de corta duración unidos por puentes de hidrogeno en le
agua liquida. No obstante el numero extremadamente elevado de puente de
hidrogeno entre moléculas de agua confiere gran cohesión interna en el liquida.
El orden casi tetraédrico de los orbitales
alrededor del átomo del oxigeno permite que cada molécula de agua forme enlaces
de hidrogeno con hasta cuatro moléculas de agua vecinas. En cualquier momento
en el agua liquida a temperatura ambiente, cada molécula de agua forma puentes
hidrogeno con un promedio de 3 a 4 moléculas de agua
Las moléculas de agua están en movimiento continuo
en el estado liquido por los que los puentes de hidrogeno se rompen y forman de
manera constante y rápida. No obstante
en el hielo cada molécula de agua están
fijas en el espacio y forman
puentes de hidrogeno con otras cuatro moléculas de agua configurado una
estructura reticular regular para romper el gran numero de puentes de hidrogeno
en tal retículo se requiere mucha enerva térmica, lo que explica el punto de
fusión relativamente elevada del agua. Cuando se funde el hielo o se evapora el
agua, se absorbe calor por parte del sistema.
Durante la fusión o la evaporación aumenta la
entropía del sistema acuoso a medida que conjuntos altamente ordenadas de
moléculas de agua se relajan a los conjuntos de puente de hidrogeno menos
ordenados del agua se reflejan a los
conjuntos de puentes de hidrogeno menos ordenados del agua liquida o a las
moléculas totalmente desordenadas de agua en el estado gaseoso. A temperatura ambiente tanto la fusión del
hielo como la evaporación del agua se dan espontáneamente; la tendencia de las
moléculas de agua a asociarse mediante
puentes de Hidrogeno queda contrarestada
por el empuje energético hacia el desorden .recuérdese que la variación de
energía libre AG h de tener un valor negativo para que un proceso se produzca
de forma espontánea: AG=AH- TAS en donde AG representa la fuerza motriz. AH la
energía para formar y romper enlaces y AS en número de desorden. Dado que AH es
positiva para la fusión y para la evaporación es claramente el número de
entropía (AS) el que se hace que AG sea negativo e impulse estas transformaciones
Enlace secundario o de van der
Waals
La principal causa de cohesión dentro de determinado material técnico es
uno o varios de los tres enlazamientos que se describieron anteriormente. El
enlace van der Waals es una fuerza débil de atracción que puede existir entre
los átomos y las moléculas. A este enlace se debe la condensación de los gases
nobles y delas moléculas con enlaces químicamente para formar líquidos y
sólidos a temperaturas bajas. El mecanismo de enlazamiento secundario es algo
semejante al iónico, esto es, por atracción de cargas opuestas. La diferencia
clave es que no se transfieren electrones. La atracción depende de las
distribuciones asimétricas de carga positiva y negativa dentro de cada unidad
atómica o molecular que se enlaza. Esta asimetría de carga se llama dipolo
. El enlazamiento secundario puede ser de dos tipos, según los dipolos
sean:1.− Temporales2.− Permanentes
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